James Chadwick föddes i Cheshire, England, den 20 oktober 1891, sonen av John Joseph Chadwick och Anne Mary Knowles. Han gick på Manchester High School innan han gick in i Manchester University 1908; Han tog examen från Honors School of Physics 1911 och tillbringade de kommande två åren under professor (senare Lord) Rutherford i Physical Laboratory i Manchester, där han arbetade med olika radioaktivitetsproblem och fick sin M.Sc. 1913. Samma år tilldelades han utställningsstipendiet 1851 och fortsatte till Berlin för att arbeta i Physikalisch Technische Reichsanstalt i Charlottenburg under professor H. Geiger.
Under första världskriget internerades han i Zivilgefangenenlager, Ruhleben. Efter kriget, 1919, återvände han till England för att acceptera Wollaston Studentship vid Gonville och Caius College, Cambridge, och återuppta arbetet under Rutherford, som under tiden hade flyttat till Cavendish Laboratory, Cambridge. Rutherford hade lyckats det året att sönderdela atomer genom att bombardera kväve med alfapartiklar med utsläpp av en proton. Detta var den första konstgjorda kärntransformationen. I Cambridge anslöt sig Chadwick till Rutherford för att genomföra transmutationen av andra ljuselement genom bombardemang med alfapartiklar och genom att göra studier av atomkärnornas egenskaper och struktur.
Han valdes till stipendiat vid Gonville och Caius College ( 1921-1935) och blev biträdande forskningsdirektör i Cavendish Laboratory (1923). År 1927 valdes han till stipendiat för Royal Society.
1932 gjorde Chadwick en grundläggande upptäckt inom kärnvetenskapens område: han bevisade att det fanns neutroner – elementära partiklar som saknar elektrisk laddning. Till skillnad från heliumkärnorna (alfastrålar) som laddas och därför avvisas av de stora elektriska krafterna som finns i kärnorna hos tunga atomer, behöver detta nya verktyg vid atomupplösning inte övervinna någon elektrisk barriär och kan penetrera och dela kärnor med även de tyngsta elementen. Chadwick förberedde på detta sätt vägen mot klyvning av uran 235 och mot skapandet av atombomben. För denna epokbildande upptäckt tilldelades han Hughes-medaljen från Royal Society 1932 och därefter Nobelpriset för fysik 1935.
Han stannade kvar i Cambridge fram till 1935 då han valdes till Lyon Jones Fysikordförande vid University of Liverpool. Från 1943 till 1946 arbetade han i USA som chef för British Mission som var knuten till Manhattan-projektet för utvecklingen av atombomben. Han återvände till England och pensionerade sig 1948 från aktiv fysik och sin position vid Liverpool vid valet till mästare i Gonville och Caius College, Cambridge. Han drog sig tillbaka från detta masterskap 1959. Från 1957 till 1962 var han deltidsmedlem i Storbritannien Atomic Energy Authority.
Chadwick har fått många artiklar publicerade om ämnet radioaktivitet och anslutna problem och, med Lord. Rutherford och CD Ellis, han är medförfattare till boken Strålning från radioaktiva ämnen (1930).
Sir James blev riddare 1945. Bortsett från Hughes-medaljen (Royal Society) som nämnts ovan, fick han Copley Medal (1950) och Franklin Medal of the Franklin Institute, Philadelphia (1951). Han är hedersmedlem vid Institute of Physics och förutom att ta emot hedersdoktorsexamen från universiteten i Reading, Dublin, Leeds, Oxford, Birmingham, Montreal (McGill), Liverpool och Edinburgh, är han medlem i flera utländska akademier, som är Associé för Académie Royale de Belgique; Utländsk medlem av Kongelige Danske Videnskabernes Selskab och Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Motsvarande medlem av Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig; Medlem av Pontificia Academia Scientiarum och Franklin Institute; Hedersmedlem i American Philosophical Society och American Physical Society.
1925 gifte han sig med Aileen Stewart-Brown från Liverpool. De har tvillingdöttrar och bor i Denbigh, norra Wales. Hans hobbyer inkluderar trädgårdsskötsel och fiske.